Принципы удаления примесей из сточных вод

Очистка сточных вод — лишь одно из направлений защиты гидросферы, прежде всего, поверхностных вод от антропогенных загрязнений. Главный путь защиты гидросферы, так же. как и атмосферы и литосферы — поиск технологий, исключающих образование значимых количеств вредных твердых и жидких отходов, вредных примесей в сточных водах и отходящих (в атмосферу) газов, что входит составной частью в главное направление деятельности сегодняшней техносферы — создание безотходных и малоотходных технологий. Такие технологии предполагают комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов на базе безотходных процессов, создание продукции с учетом требований ее повторного использования, переработку отходов производства и потребления с получением товарной продукции или любое полезное их использование без нарушения экологического равновесия, использование замкнутых систем промышленного водоснабжения и др. Число таких технологий непрерывно возрастает. Так, для угольных тепловых станций (ТЭС) разработаны «сухие», без использования воды, системы золошлакоудаления. что полностью исключает проблему очистки стоков из систем гидрозолоудаления современных угольных ТЭС. Разработаны и успешно реализуются бессточные системы водоподготовки на ТЭС. Можно подумать, что разработка и совершенствование принципов, методов и средств очистки сточных вод от вредных примесей — временное явление, которое прекратится с разработкой безотходных и малоотходных технологий. Это справедливо лишь отчасти.

В большом числе случаев принципы, методы, средства очистки сточных вод (равно как и отходящих газов) могут быть использованы в новых технологиях, так что прогресс в области средств очистки способствует созданию малоотходных и безотходных технологий. Методы очистки сточных вод весьма разнообразны и предопределяются физико-механическими, физическими, химическими и микробиологическими (биологическими) характеристиками содержащихся в них примесей.

Существующие методы очистки воды весьма различны как по достижимой эффективности, так и по капитальным и эксплуатационным затратам, требующимся для их осуществления. Выбор рационального способа очистки должен осуществляться с учетом этих обстоятельств, при обязательном условии детального ознакомления с производством.

Существует несколько видов классификации методов очистки.

Все методы очистки сточных вод могут быть разделены на две группы: деструктивные и регенеративные.

Под деструктивными понимают такие методы, при которых загрязняющие воду вещества подвергаются разрушению. Образующиеся продукты распада удаляются из воды в виде газов или осадков или остаются в растворе, но уже в обезвреженном виде. Чаще всего происходит это при использовании естественных или искусственных окислительных процессов.

Регенеративные методы решают две задачи: очистку сточных вод и утилизацию ценных веществ. Практически нередко приходится совмещать обе группы методов, а также проводить стадии предварительной очистки и доочистки.

Методы очистки сточных вод подразделяются также на гидромеханические, физико-химические, термические, химические, электрохимические, биохимические.

Производственные сточные воды в зависимости от вида загрязняющих веществ и их концентрации, а также от количества сточных вод и мест их образования отводятся несколькими самостоятельными потоками. Целесообразность разделения или объединения отдельных потоков является одним из наиболее актуальных вопросов, от правильного решения которого зависит сметная стоимость строительства и затраты на эксплуатацию очистных сооружений, надежность охраны водоемов от загрязнения и рентабельность основного производства,
Не всегда целесообразно совместное отведение даже сточных вод одинакового состава, но различных по концентрации в них загрязняющих веществ. Если эти вещества представляют товарную ценность, то экономичнее извлекать их из наиболее концентрированных сточных вод и уже, потом смешивать слабоконцентрированные сточные воды для их последующей очистки.
Раздельная очистка сточных вод предпочтительнее и в том случае, если загрязняющие вещества легко удаляются из воды.

Нецелесообразно объединение сточных вод, содержащих значительное количество механических примесей минерального происхождения, а также нефть и масло, с бытовыми сточными водами. Такое объединение усложняет технологию очистки, препятствует возможности повторного использования производственных сточных вод и извлечении из них ценных примесей.

Во всех случаях очистки стоков первой стадией является механическая очистка, предназначенная для удаления взвесей и дисперсно-коллоидных частиц. Это процессы процеживания на решетках и ситах, отстаивания в песколовках, отстойниках и нефтеловушках, осветление в осветлителях со слоем взвешенного осадка и контактных осветлителях, центрифугирование в гидроциклонах, фильтрование через фильтрующие перегородки или зернистые материалы.

Значительно более сложные методы приходится применять для очистки воды от коллоидных и тем более растворенных частиц. Выбор метода зависит от того, в каком состоянии находится вещество — коллоидном, молекулярном или диссоциированном на ионы.

Для удаления коллоидных частиц используют физико-химические методы — флотацию, коагуляцию и флокуляцию, нарушающие кинетическую устойчивость коллоидных частиц.

Физико-химические методы применяются также для удаления растворенных примесей. Для веществ, находящихся в молекулярном состоянии, успешно используются различные сорбенты, десорбция аэрированием, экстракция, дистилляция, мембранные методы. Для извлечения веществ, диссоциированных на ионы, пригодны ионный обмен, обратный осмос, магнитная обработка воды.
Химические методы очистки являются деструктивными, но наиболее изученными и до сих пор широко применяемыми из-за высокой степени очистки. К ним можно отнести использование реакцией химического взаимодействия при объединении различных стоков (чаще всего в целях нейтрализации кислых и щелочных сточных вод, а в некоторых случаях, с целью удаления содержащихся в стоках компонентов в виде малорастворимых соединений), окислительно-восстановительные процессы (хлорирование, озонирование, окисление кислородом воздуха и др.).

В последнее время все более широкое распространение получают электрохимические метода — анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Они позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, недостаток электрохимических методов — их высокая энергоемкость.

Если в сточных водах имеются весьма вредные вещества, применяют термические методы, позволяющие уничтожить эти примеси например, при сжигании. Такой процесс применим для обезвреживания органических примесей стачных вод. Для очистки минерализованных сточных вод из термических методов можно использовать выпаривание, адиабатное испарение, вымораживание и др.

Биохимические методы основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, которые способствуют окислений или восстановлению органических веществ, находящихся в сточных водах в виде тонких суспензий, коллоидов и в растворе и являющихся для микроорганизмовв источником питания и дыхания, в результате чего и происходит удаление указанных загрязнений. Биохимическая очистка может осуществляться в естественных и искусственных, в аэробных и анаэробных условиях, применяется для глубокой очистки сточных вод.

На практике приходится обычно применять комбинацию указанных методов.

Эффективность и надежность работы любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентрации примесей и расхода сточной воды.

Во временном графике технологических процессов могут быть значительные изменения, сопровождаемые изменением расхода сточных вод, состава и концентрации примесей. В таких случаях необходимо усреднение концентрации примесей и расхода сточной воды. С этой целью на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет которых определяется характером изменения во времени расхода стоков, состава и концентрации примесей.

В самом общем виде последовательность этапов очистки стоков можно представить следующим образом.
Усреднение стоков. Оно может осуществляться не только на самом начальном этапе — при очистке от грубодисперсных примесей, но и на всех последующих этапах — там, где имеется неравномерность состава и расхода стоков и где целесообразно слияние близких по составу стоков (с разных участков производства) перед очередным этапом очистки.
Очистка от грубодисперсных веществ: решетки, песколовки, отстойники, аппараты, основанные на отделении твердых примесей в поле действия инерционных сил (напорные гидроциклоны, центрифуги), флотация.
Очистка от коллоидно-дисперсных примесей (коагуляция, электрокоагуляция).
Регулирование кислотности (щелочности) стоков, например, помощью известкования (нейтрализация),
Фильтрование на зернистых насыпных, например, песчано-гравийных фильтрах — для очистки от тонкодисперсных примесей частиц), имевшихся в исходных стоках или образовавшихся на предыдущих этапах очистки.Совокупность предыдущих этапов очистки стоков в отечественной специальной литературе часто называют предочисткой. Она важна и сама по себе, и для осуществления последующих этапов очистки (если они необходимы) — от истинно растворенных примесей в де отдельных ионов, молекул или комплексов молекул. Аппаратурные средства для их удаления чрезвычайно чувствительны к водным гетерогенным системам и быстро выходят из строя при появлении в стоках эмульсий, суспензий, коллоидных примесей.
Очистка стоков от молекулярных примесей, например, путем дегазации, адсорбции, экстракции.
Очистка от вредных веществ, находящихся в стоках в ионном состоянии: перевод ионов в малодиссоциирующие соединения; (нейтрализация; окисление; образование комплексных ионов и перевод их в малорастворимое состояние; ионитная фильтрация (ионный обмен); сепарация ионов при изменении фазового состояния воды например. дистилляция; ультрафильтрация; электродиализ; воздействие магнитных и акустических полей и др.
На заключительном этапе очистки может быть предусмотрено повторное фильтрование — для очистки стоков от дисперсных примесей, образовавшихся на этапах очистки от истинно растворенных примесей, а также обезвреживание (дезинфекция) очищенных сов от патогенных организмов (микроорганизмов), особенно в тех случаях, когда в системе очистки стоков производства имеются устройства биологической очистки, могущие быть очагом распространения патогенных микроорганизмов.
Биологическая очистка применяется для очистки стоков от органических примесей: сточные воды пропускаются через устройства (аротенки, например), насыщенные мощными колониями специально подобранных микроорганизмов, которые извлекают органические вещества из стоков для питания и, таким образом, минерализуют органические примеси. Для интенсификации процессов стоки насыщаются кислородом (окситенки). Минерализация органических примесей могла бы произойти естественным образом в самом водоеме. Но это привело бы к резкому уменьшению содержания кислорода в воде и к дестабилизации (гибели) экосистемы водоема. С помощью устройств и сооружений биологической очистки процесс минерализации выносится, таким образом, за пределы водоема.